直流電機課程設計--直流電機控制系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　測控系統(tǒng)課程設計</b></p><p>　　課題 直流電機控制系統(tǒng)設計 </p><p>　　班 級： 測控 </p><p>　　姓 名： </p><p><b>　　學 號： </b></p><

2、;p><b>　　指導教師 ： </b></p><p><b>　　電子與電氣工程學院</b></p><p><b>　　2010年12月</b></p><p>　　直流電機控制系統(tǒng)設計</p><p><b>　　1系統(tǒng)論述</b></

3、p><p><b>　　1.1 設計思路</b></p><p>　　本次直流電機控制系統(tǒng)的設計主要功能是實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。為實現(xiàn)系統(tǒng)的微機控制，在設計中，采用了AT89C51單片機作為整個控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，配以各種模塊，實現(xiàn)對電動機控制。</p><p><b>　　總體設計框圖</b></p>

4、<p>　　系統(tǒng)組成：直流電機控制方案如圖1.1所示：</p><p>　　方案說明：直流電機控制系統(tǒng)以AT89C51單片機為控制核心，單片機在程序控制下，采用橋式驅(qū)動完成電機正，反轉(zhuǎn)控制。</p><p>　　圖 1.1 直流電機控制方案</p><p>　　2直流電機單元電路設計與分析</p><p>　　橋式驅(qū)動直流電機方

5、向模塊</p><p>　　主要由一些達林頓晶體管、直流電機和二極管以及電阻等組成?，F(xiàn)在介紹下直流電機的運行原理</p><p>　　2.1.1 直流電機類型</p><p>　　直流電機可按其結(jié)構(gòu)、工作原理和用途等進行分類，其中根據(jù)直流電機的用途可分為以下幾種：直流發(fā)電機（將機械能轉(zhuǎn)化為直流電能）、直流電動機（將直流電能轉(zhuǎn)化為機械能）、直流測速發(fā)電機（將機械信號

6、轉(zhuǎn)換為電信號）、直流伺服電動機（將控制信號轉(zhuǎn)換為機械信號）。下面以直流電動機作為研究對象。</p><p>　　2.1.2 直流電機結(jié)構(gòu)</p><p>　　直流電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。在定子上裝有磁極（電磁式直流電機磁極由繞在定子上的磁繞提供），其轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子外圓有槽，槽內(nèi)嵌有電樞繞組，繞組通過換向器和電刷引出,直流電機結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。</p>&l

7、t;p>　　圖2.1 直流電動機結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1.3 直流電機工作原理</p><p>　　直流電機電路模型如圖2.2所示，磁極N、S間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈abcd。當線圈中流過電流時，線圈受到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當流過線圈中電流改變方向時，線圈的受方向也將改變，因此通過改變線圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機

8、的方向。</p><p>　　圖2.2 直流電動機電路模型</p><p>　　2.1.4 直流電機主要技術參數(shù)</p><p>　　直流電機的主要額定值有：</p><p>　　額定功率Pn：在額定電流和電壓下，電機的負載能力。</p><p>　　額定電壓Ue：長期運行的最高電壓。 </p>

9、<p>　　額定電流Ie：長期運行的最大電流。</p><p>　　額定轉(zhuǎn)速n：單位時間內(nèi)的電機轉(zhuǎn)動快慢。以r/min為單位。 </p><p>　　勵磁電流If：施加到電極線圈上的電流。</p><p>　　2.1.5 直流電機PWM調(diào)速原理&

10、lt;/p><p><b>　?。?）直流電機轉(zhuǎn)速</b></p><p>　　直流電機的數(shù)學模型可用圖2.3表示，由圖可見電機的電樞電動勢Ea的正方向與電樞電流Ia的方向相反，Ea為反電動勢；電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，是拖動轉(zhuǎn)矩；軸上的機械負載轉(zhuǎn)矩T2及空載轉(zhuǎn)矩T0均與n相反，是制動轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　圖2.3 直流電機

11、的數(shù)學模型</p><p>　　根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動勢平衡方程式1.1：</p><p>　　U=Ea-Ia（Ra+Rc）……………………………………………式1.1</p><p>　　式1.1中，Ra為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)保繞阻與電刷接觸電阻的總和；</p><p>　　Rc是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。</p

12、><p>　　由此可得到直流電機的轉(zhuǎn)速公式為： </p><p>　　n =Ua-IR/CeΦ ……………………………………………式1.2</p><p>　　式1.2中，Ce為電動勢常數(shù)，Φ是磁通量。</p><p>　　由1.1式和1.2式得</p><p>　　n =Ea/CeΦ ……………………

13、…………………………式1.3 </p><p>　　由式1.3中可以看出，對于一個已經(jīng)制造好的電機，當勵磁電壓和負載轉(zhuǎn)矩恒定時，它的轉(zhuǎn)速由回在電樞兩端的電壓Ea決定，電樞電壓越高，電機轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到0V時，電機就停止轉(zhuǎn)動；改變電樞電壓的極性，電機就反轉(zhuǎn)。</p><p>　　（2）PWM電機調(diào)速原理</p><p>　　對于直流電機來說，如果加在電樞兩

14、端的電壓為2.3所示的脈動電流壓（要求脈動電壓的周期遠小于電機的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的情況下，改變T1和T2寬度，得到的電壓將發(fā)生變化，下面對這一變化進一步推導。</p><p>　　圖2.3 施加在電樞兩端的脈動電壓</p><p>　　設電機接全電壓U時，其轉(zhuǎn)速最大為Vmax。若施加到電樞兩端的脈動電壓占空比為D=t1/T，則電樞的平均電壓為：</p>&

15、lt;p>　　U平=U·D ……………………………………………式1.4</p><p><b>　　由式1.3得到：</b></p><p>　　n =Ea/CeΦ≈U·D/ CeΦ=KD ；</p><p>　　在假設電樞內(nèi)阻轉(zhuǎn)小的情況下式中K= U/ CeΦ，是常數(shù)。</p><

16、;p>　　圖2.4為施加不同占空比時實測的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關系圖。</p><p>　　圖2.4 占空比與電機轉(zhuǎn)速的關系</p><p>　　由圖看出轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全速的線性關系（圖中實線），原因是電樞本身有電阻，不過一般直流電機的內(nèi)阻較小，可以近視為線性關系。</p><p>　　3、直流電機的驅(qū)動方式</p><

17、p>　　3.1 直流馬達的驅(qū)動方式解釋</p><p>　　直流馬達的驅(qū)動方式，就是把直流電源加到直流馬達上，使之旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　3.2 直流馬達驅(qū)動方式分類</p><p>　　3.2.1用繼電器驅(qū)動直流馬達</p><p>　　如圖所示，將微控制器信號連接到晶體管，以控制繼電器。當微控制器送出一個高電平信號，即可產(chǎn)生ib

18、,ic，繼電器激磁，而繼電器的a-c接點將接通，即可提供直流馬達電源，使之旋轉(zhuǎn)。其中Vcc不一定是5V電源，而是根據(jù)繼電器及直流馬達的規(guī)格，取用適當?shù)碾妷?。一般來說，電功率P=V*G，V越大功率越大；即便是相同的功率，V越大i越小，損失越小。</p><p>　　圖3.1 用繼電器開關直流馬達</p><p>　　3.2．2 以晶體管驅(qū)動直流馬達</p><p>　

19、　1、 達林頓晶體管的簡介</p><p>　　達林頓管(Darlington Transistor)又稱復合管。它采用復合連接方式,將二只三極管適當?shù)倪B接在一起，以組成一只等效的新的三極管, 極性只認前面的三極管。</p><p>　　本設計采用互補達林頓功率晶體管-TIP14x系列，這一系列包括三組配對，分別是TIP-140（NPN）與TIP-145(PNP)、TIP-141(NPN)

20、與TIP-146(PNP)、TIP-142(NPN)與TIP-147(PNP),其常見規(guī)格如表3-1所示。</p><p><b>　　表3-1</b></p><p>　　TIP14x系列的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖14-13所示。</p><p>　　圖3.2 TIP14x系列的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)</p><p>　　其中R1約為8

21、K，R2約為40歐。而其包裝采用扁平的TO-218包裝，也提供SOT-93的表面貼式包裝，其外觀、引腳配置與尺寸如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 TIP14x系列的外觀、引腳配置與尺寸</p><p>　　2、以晶體管驅(qū)動直流馬達</p><p>　　將微控制器信號連接到達林頓晶體管，直接提供直流馬達的電源，使之旋轉(zhuǎn)。其中的二極管的功能是為了保護達林頓

22、晶體管，VCC也不一定是5V電源，可根據(jù)直流馬達的規(guī)格，取用較高的電壓。而此電路不但可以控制直流馬達的開或關，還可以控制其功率的大小，以達到轉(zhuǎn)速控制的目的。</p><p>　　圖3-4 以達林頓晶體管驅(qū)動直流馬達</p><p>　　3．3 控制直流馬達方向</p><p>　　3.3.1 以繼電器控制直流馬達方向</p><p>　　圖3

23、-5 以達林頓晶體管與繼電器控制直流馬達</p><p>　　如圖3-5所示，微控制器信號連接到達林頓晶體管與繼電器，其中的繼電器室2P繼電器，同時提供兩組c接點，由微控制器信號連接到“方向”的引腳，即可驅(qū)動Q1晶體管，以控制繼電器。當“方向”引腳上有高電平信號時，繼電器激磁，兩組c-a接點接通，而直流馬達上方連接到Q2、Q3所組成的達林頓晶體管，所以此時直流馬達上方連接到正電源，另外，直流馬達下方通過另一組c-

24、a接點接地。</p><p>　　若方向引腳上有低電平信號時，繼電器消磁，兩組c-b接點接通，直流馬達上方通過c-b接點接地；而直流馬達下方通過另一組c-b接點連接到Q2、Q3所組成的達林頓晶體管，所以此時直流下方連接正電源。</p><p>　　若直流馬達上方接電源，下方接地，將其順時針旋轉(zhuǎn)，此時，如果顛倒其接線，直流馬達上方接地、下方接電源，將其逆時針旋轉(zhuǎn)。</p>&l

25、t;p>　　另外，我們也可以通過“開或關”引腳決定該馬達是否旋轉(zhuǎn)。即我們不但可以控制直流馬達的開與關，也可以控制其轉(zhuǎn)向。</p><p>　　3.3.1 以晶體管控制直流馬達方向</p><p>　　圖3-6 橋式驅(qū)動直流馬達</p><p>　　如圖所示，Q1、Q2是一組PNP型達林頓晶體管，Q3、Q4是一組NPN型達林頓晶體管，Q5、Q6是一組PNP型

26、達林頓晶體管，Q7、Q8是一組NPN型達林頓晶體管,不管是NPN型林達頓晶體管還是PNP型林達頓晶體管，都可以找到現(xiàn)成、配對的商品，而且不貴！若使用現(xiàn)成的林達頓晶體管，電路就非常簡單，而且可靠！電路的左右對稱，動作也類似。不管是左邊的電路還是右邊的電路，當微控制器送一個高電平信號到input1或input2端時，上方的PNP達林頓晶體管截止，而上方的NPN型達林頓晶體管導通，當微控制器送一個低電平信號到input1端時，上方的PNP達林

27、頓晶體管導通，而上方的NPN達林頓晶體管截止。</p><p>　　若送一個高電平信號到input1端，同時送一個低電平信號到input2端時，則電流由右而左流過此馬達，如圖所示。</p><p>　　圖3-7 電流由直流馬達右端流入，左端流出</p><p>　　反之，若送一個低電平信號到input1端，同時送一個高電平信號到input2端時，則電流由左而右流過此

28、馬達，如圖所示。</p><p>　　圖3-8電流由直流馬達左端流入，右端流出</p><p>　　若直流馬達上方接電源，下方接地，將使其順時針旋轉(zhuǎn)；此時，如果顛倒其接線，直流馬達上方接地，下方接電源，將使其逆時針旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　經(jīng)過這兩個方案的比較，由于方案二的性能好，可靠性高，故而選擇方案二。因此，根據(jù)原理，選擇以下元器件：</p>&

29、lt;p>　　PNP型達林頓晶體管4個；NPN型達林頓晶體管4個；330歐姆電阻4個，二極管4個；直流電機1個；10K電阻3個；電解電容10uF1個；30PF電容2個；晶振12MHz1個；按鈕開關2個。</p><p><b>　　4．程序設計流程圖</b></p><p><b>　　5.總電路圖</b></p><p

30、><b>　　6.程序設計</b></p><p>　　#include <reg51.h></p><p>　　Sbit motor1=P1^0; //聲明直流馬達位置</p><p>　　Sbit motor2=P1^1; //聲明直流馬達位置&l

31、t;/p><p>　　Sbit PB0=P2^0; //聲明按鈕開關位置</p><p>　　Sbit PB1=P2^0; //聲明按鈕開關位置</p><p>　　Void delay1ms(int); //聲明延遲函數(shù)</p>&l

32、t;p>　　//===================================================================</p><p><b>　　Main()</b></p><p>　　{ motor1=0; //關閉直流馬達</p><p>　　Mot

33、or2=0; //關閉直流馬達</p><p>　　PB0=1; //設定PB0</p><p>　　PB1=1; //設定PB1</p><p>　　While(1)

34、 //無窮循環(huán)</p><p>　　{ if(PB0==0 & PB1==1) //若按下PB0、且未按下PB1</p><p>　　{motor1=0; //設定直流馬達轉(zhuǎn)向</p><p>　　Motor2=1; //開啟直流馬達轉(zhuǎn)

35、向</p><p>　　Delay1ms(500); //旋轉(zhuǎn)0.5s</p><p>　　Motor2=0; //關閉直流馬達</p><p>　　if(PB0==1 & PB1==0) //若按下PB1、且未按下PB0</p><p>

36、　　{motor1=1; //設定直流馬達轉(zhuǎn)向</p><p>　　Motor2=0; //開啟直流馬達轉(zhuǎn)向</p><p>　　Delay1ms(500); //旋轉(zhuǎn)0.5s</p><p>　　Motor1=0;

37、 //關閉直流馬達</p><p>　　} } //結(jié)束</p><p>　　//================================================================</p><p>　　Void delay1ms(int x) &

38、lt;/p><p>　　{ int i,j;</p><p>　　For(i=0;i<x;i++) //外循環(huán)</p><p>　　For(j=0;j<120;j++) //內(nèi)循環(huán)</p><p>　　} //延遲

39、函數(shù)結(jié)束</p><p><b>　　7.結(jié)束語</b></p><p>　　經(jīng)歷了這次課程設計，我發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識的不怎么牢固，看到了自己的實踐經(jīng)驗更是比較缺乏，理論聯(lián)系實際的能力還急需提高。現(xiàn)在學到的東西，在以后的工作中一定也會學到，但我畢竟早了兩年知道這個道理，它在書本上是學不來的，一定要自己經(jīng)歷了，在實踐中才學得到。</p><

40、;p>　　學到了如何務實，如何去學一門技術，同時也知道了如何學習，什么才是學習。如果每天都能像這樣的學習，大學四年的課程，一年就夠了，或許還不要。</p><p>　　其次是團隊的力量，我認為我們的工作是一個團隊的工作，團隊需要個人，個人也離不開團隊，必須發(fā)揚團結(jié)協(xié)作的精神。團結(jié)協(xié)作是我們成功的一項非常重要的保證。而這次設計也正好鍛煉我們這一點，這也是非常寶貴的。</p><p>&

41、lt;b>　　8.參考文獻資料</b></p><p>　　[1]張義和.例說51單片機（c語言版）.2008</p><p>　　[2]何立民．單片機與嵌入式系統(tǒng)應用[J]． 基于HCS12的小車智能控制系統(tǒng)設計．2007，(3) ：51-53,57．</p><p>　　[3]方建軍．何廣平．智能機器人[M]．北京：化學工業(yè)出版社．2004 :

42、5-9．</p><p>　　[4]張立．電子世界[J]．電動小車的循跡． 2004,(6)：45． </p><p>　　[6]滕志軍．今日電子[J]．基于超聲波檢測的倒車雷達設計．2006,(9):15-17．</p><p>　　[7]徐科軍．傳感器與檢測技術[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2007：110-113,160-161．</p><